fe3o4纳米颗粒与细胞膜作用的分子动力学模拟

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1、Fe3O4纳米颗粒与细胞膜作用的分子动力学模拟中国工程热物理学会传热传质学术会议论文编号:123548FeO纳米颗粒与细胞膜作用的分子动力34学模拟*雷庆春乐恺吕晓星张欣欣北京科技大学机械工程学院热能工程系,北京100083Tel:010-62333874,Email:yuekai@//0>.摘要:针对FeO纳米颗粒在生物体内的医学应用,采用经典的分子动力学模拟方法建立了粗粒度磷34脂膜-纳米颗粒模型,研究了不同修饰类型的Fe3O4颗粒与电中性细胞膜的作用。从获得的颗粒周围水的径向分布函数发现,FeO颗粒在纳米尺度具有亲水特性。由于颗粒具有亲水性质,无表面修饰的颗34粒将停

2、留在膜外的水相中,亲水及亲水带电修饰的颗粒会吸附在膜表面,但不会发生穿膜。这些类型的颗粒对磷脂膜结构的影响均较小。而疏水修饰的颗粒将跨膜进入到膜内,本文通过获得其均方位移曲线计算了疏水、疏水带电修饰颗粒的跨膜扩散系数。通过统计平衡时细胞膜的单脂面积,分析了由于颗粒嵌入而导致的膜结构变化。关键词:FeO纳米颗粒分子动力学扩散系数细胞膜340前言[1,2][3]近年来,磁性纳米粒子在生物医学领域比如在靶向药物输送、磁共振成像、肿[4]瘤磁感应热疗等方面得到越来越多的应用,逐渐成为研究的热点。FeO以其磁性强、34[5]制备相对简单、生物相容性较好等优点成为生物医学领域常采用的一

3、种重要磁性材料。然而,将FeO纳米材料应用于生物体时,FeO纳米颗粒与生物体相互作用的现象及3434[6]机理仍不清楚。研究表明,将FeO纳米颗粒应用于肿瘤磁过热疗法时,FeO纳米颗3434粒对癌细胞特别是对细胞膜的机械冲击、扩散等作用对治疗的效果起着不可忽视的作用。因此,在微观尺度研究FeO颗粒与细胞膜的相互作用以及其在细胞水平微尺度的34输运行为对更好的了解纳米磁颗粒在生物医学中的应用起着至关重要的作用。迄今为止,国内外大量的实验探索证明,经过表面修饰改性的FeO颗粒可以通过34[7]与细胞膜作用进而影响膜结构或跨膜输运。Shinkai等发现含FeO磁性阳离子脂质体34

4、对带负电的小鼠脑胶质瘤细胞的亲合性比不带电荷的磁性脂质体提高了10倍。Zhang[8]等证明用叶酸等修饰超顺磁性纳米颗粒后其可避免蛋白吸附及被巨噬细胞吞噬,更易[9]进入癌细胞。Jordan等进一步研究证明细胞内吞不依赖于磁粒子浓度,而与粒子的水动力学及表面电荷有关。并且研究者们还发现,磁粒子的浓度会对细胞产生不同的毒性[10],这表明除了生理内吞机制外,被动扩散、外力作用等物理机制或对细胞跨膜有着重[11]要影响。对膜的损伤方面,Kim等发现铁磁性纳米颗粒在磁场诱导下的运动可以破坏细胞膜有效杀死癌细胞。大量的实验研究表明,经过特异性修饰的Fe3O4纳米颗粒可以跨膜进入细胞

5、,并且在跨膜的过程中对膜结构产生破坏性损伤。但是颗粒跨膜的快慢以及在此过程如何对细基金项目:国家自然科学基金(50976013)胞膜结构产生了破坏,这些作用分别是什么因素决定的等这些微观机理仍不清楚。目前对纳米颗粒与细胞膜作用的理论研究主要集中在富勒烯颗粒、纳米金颗粒、定性的亲、[12][13]疏水颗粒上。Jirasak等用计算机模拟了C60颗粒的跨膜过程。Rakwoo等采用计算[14]机模拟了工业燃烧碳颗粒与生物膜的相互作用。Lin等模拟了阳离子配体修饰的纳米[15,16]金颗粒在带负电细胞膜作用纳米孔的形成。Li等模拟了纳米颗粒的大小、亲疏水性以及带电性等对细胞膜的作用

6、。FeO颗粒与细胞膜作用的理论研究尚未见报道。34本文采用经典的MD模拟方法对FeO纳米颗粒与细胞膜之间的作用进行研究,分34析不同表面修饰的Fe3O4颗粒与细胞膜作用的现象。通过计算分析颗粒的均方位移及运动轨迹,对颗粒的跨膜扩散情况进行分析,得到了不同类型颗粒的跨膜扩散系数。通过统计磷脂膜的单脂面积,对不同情况下膜结构的变化进行分析。1模型与方法1.1模型构建[17,18]本文采用MARTINI粗力度化力场参数来构建体系模型。MARTINI力场将所研究分子的全原子模型映射为粒子-粒子的粗粒度模型,其中每个粒子对应原子模型中的某个特定基团。本文膜体系包括512个CGDPPC

7、分子自组装27ns成的双层膜,和79663个CG水珠。体系放在12.9×11.7×10.8nm的方形盒子中。FeO颗粒是根据其晶体结构34[19,20]构建的直径为1.1nm的球形纳米分子团簇,基于文献建立了Fe3O4颗粒分子力场。颗粒的表面疏水修饰用MARITINI力场C1珠子表示,亲水修饰采用Nda珠子表示。FeO34颗粒及表面修饰模型如图1所示。1.2模拟方法本文的模拟盒子采用周期性边界条件,无修饰及亲水性颗粒模拟时间为24ns,疏水性修饰颗粒模拟时间为45ns。采用NPT系综,体系温度为310K,压强为1a